光學與熱紅外陸地錶層土壤水分反演方法 9787030488558 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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宋小寜，冷佩，張殿君，李召良 著

圖書標籤:

• 土壤水分
• 光學遙感
• 熱紅外遙感
• 反演算法
• 陸地錶層
• 農業遙感
• 環境遙感
• 水文遙感
• 遙感應用
• 地球科學

店铺： 小马奔腾图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030488558

商品编码：12437906733

包装：平装

出版时间：2016-06-01

基本信息

書名：光學與熱紅外陸地錶層土壤水分反演方法

定價：98.00元

作者：宋小寜,冷佩,張殿君,李召良

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2016-06-01

ISBN：9787030488558

字數：

頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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導語_點評_推薦詞

內容提要

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本書將利用時間序列的遙感數據提取與土壤水分密切相關的地錶參數的日變化信息，建立一種全新的基於時間序列遙感數據直接定量反演自然地錶植被與土壤質地連續變化條件下的錶層土壤體積含水量的方法，突破傳統的光學和熱紅外遙感將土壤水分視為不能直接反演的地錶參數的觀點，以滿足水文、氣候、農業和生態等領域對土壤水分的需求。

目錄

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作者介紹

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文摘

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序言

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大地肌理的無形脈動：潛入陸地錶層土壤水分探測的未知領域 在廣袤無垠的地球錶麵，土壤水分扮演著至關重要的角色，它不僅是維係生命繁衍的甘霖，更是影響地錶能量交換、水文循環乃至全球氣候變化的關鍵因素。長期以來，人類對土壤水分的探測與認知，多依賴於傳統的地麵測量手段，這些方法雖然精確，卻受製於空間分辨率低、時效性差、成本高昂等諸多限製，難以滿足日益增長的區域乃至全球尺度的監測需求。正是在這樣的背景下，遙感技術，特彆是光學與熱紅外遙感，以前所未有的視角和能力，為我們揭示瞭大地肌理下那無形而又至關重要的脈動——土壤水分。 本文將深入探討基於光學與熱紅外遙感技術的陸地錶層土壤水分反演方法。我們將拂去傳統認知的塵埃，以一種全新的、更具洞察力的方式，去理解這些看似尋常卻又蘊含無限信息的光譜信號與溫度差異，如何被轉化為我們所迫切需要的土壤水分數據。這並非僅僅是對現有技術的梳理，而是一次對科學原理的深度挖掘，一次對方法論的嚴謹剖析，更是一次對未來發展方嚮的探索與展望。 光學遙感：捕捉地錶“錶情”的語言 光學遙感，顧名思義，是利用傳感器接收地球錶麵反射的可見光、近紅外和短波紅外波段的電磁輻射來探測地物信息的技術。土壤水分對地錶反射光譜的影響是多方麵的，主要體現在以下幾個層麵： 首先，吸收效應。水分子本身具有強烈的吸收特性，尤其是在近紅外和短波紅外波段。當土壤中水分含量增加時，這些波段的反射率會顯著下降。這種吸收效應在土壤水分反演中扮演著至關重要的角色。研究人員通過分析不同波段的反射率變化，尤其是那些對水分吸收敏感的特定波段，能夠間接推斷土壤水分的含量。例如，某些近紅外波段（如1.4微米和1.9微米附近）對水分的吸收尤為敏感，對這些波段的光譜響應分析，可以有效地反演齣土壤錶層1-5厘米的水分信息。 其次，漫反射效應。水分的加入會改變土壤顆粒的錶麵特性，影響光綫的散射和漫反射。濕潤的土壤錶麵通常比乾燥的土壤顔色更深，反射率較低，這與水分的吸收效應相輔相成。同時，水分還能填充土壤顆粒間的空隙，改變土壤的粗糙度，進而影響其整體的光譜特徵。 再者，土壤質地與有機質的影響。光學遙感反演土壤水分並非孤立地考慮水分本身，而是要將土壤的固有屬性——如質地（砂、壤、黏土的比例）和有機質含量——納入考量。這些因素同樣會影響土壤的光譜反射特性。例如，黏土含量較高的土壤本身就具有較高的水分保持能力，並且其光譜特徵與砂土有所不同。有機質的存在則會增加土壤對可見光和近紅外波段的吸收，使得反演模型需要更加精細地考慮這些“背景噪聲”。因此，在進行土壤水分反演時，建立能夠區分水分與土壤自身屬性影響的模型至關重要。 基於這些原理，光學遙感土壤水分反演方法可以大緻分為幾類： 經驗模型：這類模型是基於大量實測數據，通過統計分析建立反射率與土壤水分含量之間的經驗關係。例如，利用單一波段的反射率或多個波段的組閤來直接迴歸土壤水分。這類模型簡單易用，但其普適性較差，通常隻適用於特定區域和特定土壤類型。 半經驗模型：在經驗模型的基礎上，引入一定的物理意義，例如考慮土壤的反射率與水分之間存在某種函數關係。這些模型通常會使用一些指數形式來描述水分對反射率的影響。 物理模型：這類模型基於輻射傳輸理論，試圖模擬光綫在地錶與土壤之間的相互作用過程。它們會考慮土壤的介電常數、散射特性、吸收特性等物理參數，並結閤水分對這些參數的影響來推導土壤水分含量。物理模型具有更強的理論基礎和更好的普適性，但其參數獲取和模型求解往往更為復雜。 機器學習模型：近年來，隨著人工智能技術的發展，利用支持嚮量機（SVM）、隨機森林（Random Forest）、人工神經網絡（ANN）等機器學習算法進行土壤水分反演已成為研究熱點。這些模型能夠從大量的遙感數據和地麵實測數據中學習復雜的非綫性關係，從而實現高精度的土壤水分估算。它們在處理多源數據融閤和模型優化方麵展現齣獨特的優勢。 熱紅外遙感：感知地錶“溫度”的秘密 熱紅外遙感利用傳感器接收地錶物體自身發齣的熱紅外輻射來探測其溫度信息。土壤水分與地錶溫度之間存在著密切的聯係，主要體現在以下幾個方麵： 首先，蒸散效應。土壤水分是蒸散（Evapotranspiration, ET）過程的直接驅動力。當土壤水分充足時，蒸發和植物蒸騰作用會消耗大量的熱量，導緻地錶溫度相對較低。反之，當土壤水分不足時，蒸散作用減弱，更多的太陽輻射能會以顯熱的形式被地錶吸收，從而導緻地錶溫度升高。這種“濕地涼，旱地熱”的現象是熱紅外遙感反演土壤水分的核心原理。 其次，熱慣量效應。土壤水分會顯著影響土壤的熱慣量。含水量高的土壤熱容量更大，其溫度變化幅度相對較小，升溫和降溫速度都較慢，錶現齣較高的熱慣量。而乾燥的土壤則熱容量較小，其溫度變化更為劇烈，錶現齣較低的熱慣量。通過分析地錶日變化溫度麯綫的幅度與相位，可以反演齣土壤的有效熱容量，進而推測土壤水分含量。 再者，熱傳導。土壤水分的存在會改變土壤的導熱性能。濕潤的土壤通常比乾燥的土壤具有更高的導熱係數。這意味著在相同的熱通量下，濕潤土壤的溫度梯度會更小，溫度變化更趨於平緩。 基於這些原理，熱紅外遙感土壤水分反演方法通常包括： 地錶溫度（Land Surface Temperature, LST）與土壤水分的直接關係模型：利用實測的地錶溫度數據，通過經驗或半經驗模型直接建立LST與土壤水分之間的關係。這類模型需要考慮蒸散過程以及可能存在的其他影響LST的因素，例如植被覆蓋度、大氣條件等。 地錶能量平衡模型：這類模型是基於地錶能量平衡方程，將地錶溫度、淨輻射、感熱通量、潛熱通量等參數聯係起來。由於潛熱通量與蒸散作用密切相關，而蒸散作用又受土壤水分的製約，因此通過求解能量平衡方程，可以反演齣土壤水分含量。這類模型通常需要輸入更多的氣象數據，並且模型參數的選擇對反演結果影響較大。 熱慣量法：通過分析地錶在一天中不同時刻的溫度變化，計算地錶的熱慣量，然後將熱慣量與土壤水分聯係起來。這種方法對地錶日變化溫度的監測精度要求較高，並且對土壤的物理性質（如熱導率、比熱容）也有一定的假設。 數據同化技術：將遙感獲取的LST或土壤水分估算值與數值模型（如水文模型、陸麵過程模型）相結閤，通過迭代優化，不斷修正模型參數和狀態變量，以獲得更準確、更一緻的土壤水分估算結果。這種方法能夠有效地融閤多源信息，並提供時空連續的土壤水分産品。 挑戰與展望：邁嚮更精準、更普適的未來 盡管光學與熱紅外遙感在土壤水分反演方麵已經取得瞭顯著的進展，但仍麵臨諸多挑戰： 時空分辨率的限製：現有遙感數據的空間分辨率在某些區域可能不足以捕捉精細尺度的土壤水分變化，而高分辨率數據則往往麵臨重訪周期長、雲雨遮擋嚴重等問題。 反演模型的普適性：土壤類型、植被覆蓋、地形地貌、大氣條件等因素的復雜性，使得一個模型難以適用於所有環境。開發具有更高普適性的模型是未來的重要方嚮。 數據的融閤與校準：不同傳感器、不同平颱獲取的數據在傳感器特性、輻射定標等方麵存在差異，如何有效地融閤多源遙感數據並進行精確校準，以獲得高質量的土壤水分産品，是一個長期的課題。 地錶能量平衡與水文過程的耦閤：土壤水分的反演與地錶能量平衡、水文過程的模擬緊密相關。未來的研究需要更加深入地耦閤這些過程，以提高反演的準確性和可靠性。 驗證數據的獲取：地麵實測數據是驗證遙感産品精度的關鍵。然而，地麵監測網絡建設成本高、覆蓋範圍有限，如何有效獲取高時空分辨率的地麵驗證數據，是製約模型精度提升的重要因素。 展望未來，光學與熱紅外遙感在土壤水分反演領域將繼續扮演核心角色，並朝著以下幾個方嚮發展： 多源數據融閤：將光學、熱紅外、微波遙感數據，以及氣象數據、地形數據等進行深度融閤，利用多源信息的互補性，剋服單一傳感器的局限，提升土壤水分反演的精度和時空連續性。 先進的機器學習與深度學習算法：利用更加強大的深度學習模型，挖掘遙感數據中更深層次的非綫性關係，構建更精準、更魯棒的土壤水分反演模型。 物理模型與數據驅動模型的結閤：將基於物理原理的模擬與數據驅動的機器學習方法相結閤，一方麵利用物理模型提供的機理約束，另一方麵利用數據驅動方法捕捉復雜的地錶過程，實現模型的理論與實踐統一。 更高時空分辨率産品的開發：隨著遙感技術的不斷發展，獲取更高時空分辨率的遙感數據將成為可能，這將有助於我們更精細地監測土壤水分的變化，服務於更廣泛的應用領域。 在地錶過程研究中的應用深化：土壤水分作為地錶能量平衡和水文循環的關鍵驅動力，其精確估算將極大地促進我們對陸地生態係統過程、氣候變化反饋機製等復雜問題的理解。 總之，光學與熱紅外遙感技術正以前所未有的力量，為我們揭示著陸地錶層土壤水分的動態變化。從捕捉地錶反射光譜的細微差異，到感知地錶溫度的微妙波動，科學傢們正不斷地探索與創新，緻力於將這些遙感信號轉化為精準的土壤水分信息。這不僅是對科學技術的挑戰，更是對我們理解和保護地球傢園的一項重要貢獻。未來的徵程依然充滿挑戰，但隨著技術的不斷進步和研究的不斷深入，我們有理由相信，遙感技術將在土壤水分監測與研究領域發揮越來越重要的作用，為人類的可持續發展提供強有力的科技支撐。

评分☆☆☆☆☆

作為一名對地球科學和環境監測感興趣的科普愛好者，我總是在尋找能夠幫助我理解地球係統復雜運作的讀物。土壤水分，對我而言，是一個既熟悉又陌生的概念。我們知道植物生長需要水分，但具體如何衡量和監測，我一直缺乏一個清晰的概念。這本書的書名，特彆是“光學與熱紅外”這些遙感技術的字眼，讓我覺得這本書或許能以一種非常現代和科學的方式，來揭示土壤水分的秘密。我非常期待這本書能夠用通俗易懂的語言，解釋這些遙感技術是如何“看見”土壤水分的，比如，它們是通過捕捉地錶反射的光綫，還是通過測量地錶的溫度？我希望書中能夠提供一些形象的比喻或者圖示，讓我這樣一個非專業讀者也能輕鬆理解。同時，我也想瞭解這些技術在環境保護方麵的實際應用，比如，如何利用它們來監測乾旱、評估水土流失的風險等。

评分☆☆☆☆☆

我對自然科學中跨學科的研究領域非常感興趣，尤其是當不同領域的知識能夠結閤起來解決實際問題時。土壤水分，作為一個連接地錶、大氣和生物圈的要素，其研究涉及土壤學、水文學、氣象學、生態學，甚至遙感科學。這本書的書名，包含“光學”和“熱紅外”這些遙感技術，以及“土壤水分反演方法”，恰恰展示瞭這樣一種跨學科的交叉。我非常期待這本書能夠為我提供一個全新的視角，瞭解這些物理學原理是如何被應用於監測一個如此重要的環境要素的。我希望書中能夠深入地闡述光學和熱紅外遙感在土壤水分反演中的理論基礎，以及這些反演模型是如何建立和驗證的。同時，我也對這些方法的實際應用場景充滿好奇，比如，它們在農業乾旱監測、植被健康評估、或者地質災害預警中，究竟能發揮怎樣的作用。

评分☆☆☆☆☆

我的研究方嚮與氣候變化對乾旱地區生態係統演變的影響有關，土壤水分作為乾旱地區最關鍵的生態因子之一，其監測和模擬是我工作的重中之重。目前，我們主要依賴於傳統的地麵觀測站點，這些站點雖然精度高，但覆蓋範圍有限，難以反映大尺度的水分時空變化。因此，我一直在尋找能夠提供更廣闊、更連續監測數據的解決方案。這本書的書名，特彆是“光學與熱紅外陸地錶層土壤水分反演方法”，立刻引起瞭我的高度關注。我非常看重“反演方法”這一部分，因為它直接關係到如何將遙感數據轉化為有用的土壤水分信息。我希望書中能夠詳細介紹不同光學和熱紅外傳感器的原理，以及它們在反演土壤水分時所采用的算法和模型。我更期待看到書中能夠提供不同反演方法的比較分析，包括它們的精度、效率、適用範圍以及對數據質量的要求，以便我能夠根據自己的研究需求，選擇最閤適的方法。

评分☆☆☆☆☆

我是一名對城市規劃和環境管理領域感興趣的學生，一直關注如何利用現代科技來提升城市的可持續發展水平。土壤水分，在城市環境中，不僅僅影響著綠地的生長，還關係到城市的熱島效應、地下水位的變化，以及排水係統的壓力。在城市綠化和海綿城市建設中，對土壤水分的精確監測和預測，是實現科學管理的關鍵。這本書的書名，尤其是“陸地錶層土壤水分反演方法”，讓我看到瞭將遙感技術應用於城市環境監測的可能性。我希望這本書能夠詳細介紹如何利用光學和熱紅外遙感技術，來監測城市不同區域的土壤水分狀況。我特彆關心這些技術在處理城市復雜地錶覆蓋（如建築、道路、植被等）時的準確性，以及它們能否為城市的水文模型提供可靠的輸入數據，從而更好地支持城市的可持續發展。

评分☆☆☆☆☆

作為一名地質工程師，我深知土壤的物理性質，包括其含水量，對工程穩定性有著至關重要的影響。例如，在邊坡工程中，過高的土壤水分會顯著降低土體的抗剪強度，增加滑坡的風險。在進行地基處理時，我們也需要精確瞭解土壤的含水量，以便選擇閤適的處理方案。目前，我們主要依賴於實地取樣和室內試驗，這些方法耗時耗力，且難以實現大範圍、實時監測。因此，我一直在關注能夠提供非接觸式、大尺度土壤水分監測的技術。這本書的書名，尤其是“陸地錶層土壤水分反演方法”，讓我看到瞭希望。我希望能在這本書中找到關於如何利用光學和熱紅外技術，快速、準確地評估大範圍地錶土壤水分的方法。我特彆關心這些方法在復雜地質條件下的適用性，以及它們能否有效地應對不同土壤類型、植被覆蓋以及地錶起伏等因素的影響。

评分☆☆☆☆☆

我是一名緻力於土壤修復和汙染治理的研究人員，深知土壤水分含量對汙染物遷移轉化過程的影響。例如，在某些化學物質的降解過程中，土壤的濕度直接決定瞭其降解速率；而在重金屬汙染的修復中，水分的變化也會影響重金屬的生物有效性。因此，準確掌握土壤水分的時空分布信息，對於製定有效的修復策略至關重要。這本書的書名，特彆是“陸地錶層土壤水分反演方法”，吸引瞭我。我希望這本書能夠提供一些關於如何利用光學和熱紅外遙感技術，進行大尺度、高頻率的土壤水分監測的方法。我尤其關心這些方法是否能夠區分不同土壤層的水分含量，或者說，它們主要監測的是地錶幾厘米的土壤水分？對於土壤修復而言，瞭解更深層次的土壤水分信息同樣重要，我希望書中能在這方麵有所涉及。

评分☆☆☆☆☆

我是一位對自然地理現象充滿好奇的業餘愛好者，尤其是那些能夠影響我們日常生活和生態環境的因素。土壤水分，對我來說，就像是連接天空和植物的橋梁，它的變化直接影響著植被的生長、河流的流量，甚至是地錶的溫度。我一直對遙感技術在環境監測中的應用感到驚嘆，尤其是那些能夠“看見”我們肉眼看不到事物的技術。書名中的“光學”和“熱紅外”讓我聯想到衛星圖像和紅外相機，這些技術在軍事、氣象等領域早已有所應用，但將其應用於土壤水分的反演，這本身就是一個非常吸引人的方嚮。我非常期待這本書能夠解答我心中關於這些技術如何“感知”土壤水分的疑問。例如，光學傳感器如何通過分析不同波段的光譜信息來區分土壤的乾濕程度？熱紅外傳感器又如何利用土壤溫度的變化來推測其水分含量？我希望書中能夠用清晰易懂的語言，結閤生動的案例，來闡述這些復雜的科學原理，讓我能夠更直觀地理解這些技術的強大之處。

评分☆☆☆☆☆

我一直對土壤水分這個話題非常著迷，因為它不僅僅是地球錶麵的一層覆蓋，更是整個生態係統運作的關鍵。我經常在野外考察，觀察植物的生長狀況，它們對水分的需求，以及不同土壤質地在不同降水條件下的錶現。有時候，一場突如其來的暴雨能讓乾涸的土地煥發生機，但過度的積水又會扼殺脆弱的生命。我總是好奇，有沒有一種更係統、更科學的方法來量化和監測土壤水分，從而更好地理解這些復雜的自然過程？當我看到這本書的書名和ISBN時，我立刻被吸引瞭。雖然我還沒有深入閱讀，但僅憑書名，我就能想象到它所涵蓋的廣闊領域。光學和熱紅外技術，這些聽起來就充滿科技感的詞匯，與我們日常生活中就能感受到的“土壤水分”聯係起來，無疑會帶來一種全新的視角。我期待這本書能夠為我揭示，這些遙感技術是如何穿透地錶，感知土壤深處的水分含量，並且又是如何將這些看不見的數據轉化為我們可以理解和應用的知識。我希望這本書能深入淺齣地講解其背後的科學原理，讓我這個對遙感技術並非專業背景的讀者也能有所啓發。

评分☆☆☆☆☆

對於土壤水分的研究，我一直認為它和農業生産息息相關，尤其是在當前全球氣候變化日益加劇的背景下。乾旱和洪澇的頻率都在增加，如何有效地利用水資源，保證農作物的正常生長，成為一個亟待解決的問題。我曾參與過一個關於節水灌溉的課題，當時我們就需要依靠經驗和一些簡單的數據來判斷土壤的濕度，但總覺得不夠精確，也無法實現大範圍的監測。這本書的書名，特彆是“反演方法”這幾個字，讓我眼前一亮。這似乎意味著它提供瞭一種從觀測數據推算齣土壤水分的途徑。我非常想知道，書中所提到的光學和熱紅外技術，究竟能提供哪些關鍵信息？它們是如何通過監測地錶的反射率、溫度等參數，來間接測量土壤水分的？我希望書中能夠詳細介紹這些反演模型的建立過程、算法原理，以及它們在實際應用中的優勢和局限性。對於我這樣一個更側重於實際應用的人來說，瞭解這些方法的普適性、精度以及在不同環境下的適用性，將是至關重要的。

评分☆☆☆☆☆

我是一名對水文學和水資源管理充滿熱情的學生，一直試圖理解地球錶層水循環的各個環節。土壤水分，作為連接降水、地錶徑流、地下水和蒸散發的重要樞紐，其動態變化對我來說具有非凡的意義。我經常閱讀一些關於遙感技術在水文學應用的文章，但往往感覺對具體的技術細節和反演模型不夠深入。這本書的書名，特彆是“光學與熱紅外”這些具體的遙感手段，讓我覺得它可能能夠填補我在這方麵的知識空白。我非常好奇，不同的光學波段是如何反映土壤水分的？熱紅外遙感又如何捕捉到土壤溫度與水分之間的微妙聯係？我希望書中能夠詳細講解這些技術的原理，並提供一些實際案例，展示這些反演方法是如何被成功應用於水文監測和水資源評估的。瞭解這些具體的方法，將有助於我更好地理解水文過程，並為將來的研究和工作打下堅實的基礎。